Optimalisere RF-konstruksjoner for drift i ekstreme omgivelser

I en verden som i økende grad er avhengig av trådløs konnektivitet, trenger systemkonstruktører for bruksområder som marin GPS, industriell IoT, smart landbruk og ubemannede luftfartøyer RF-komponenter som kan fungere pålitelig under ekstreme miljøforhold. Utfordringene til disse inkluderer vibrasjoner, støv, høy luftfuktighet, eksponering for vann eller andre væsker og saltsprut. Selv om systemet må være konstruert for å tåle disse tøffe forholdene, er en av hovedbekymringene RF-forbindelsen, der en koaksialforbindelse overfører RF-signaler mellom enheter eller mellom en enhet og en antenne. Konstruktører må være sikre på at kontaktene og kablene de bruker er godt egnet for oppgaven, samtidig som de oppfyller kravene til økt ytelse og tilkoblingstetthet.

Denne artikkelen tar kort for seg utfordringen rundt det å konstruere for ekstreme omgivelser, og går deretter videre med å introduserer RF-adaptere, kontakter og kabelmoduler fra Amphenol RF. Den viser hvordan disse komponentene kan bidra til å beskytte mot fuktighet, støv, vibrasjoner og korrosjon og forsegle kabinetter, samtidig som de gir overlegen RF-ytelse i kompakte kontakthus som er egnet for innkapsling med høy tetthet.

Ekstreme omgivelser

Det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things) er et eksempel på et bruksområde som bruker RF-enheter for alt fra fabrikkgulvet til oljerigger, og brukes i omgivelser med høy luftfuktighet, damp, sprøyting eller spruting av væske, støv eller etsende kjemikalier som saltvann (Figur 1).

Figur 1: Prinsippskjema over et IIoT-system med eksterne trådløse og kablede sensorer som kommuniserer med en edge-gateway (inngangspunkt-gateway). RF-kontakter brukes overalt. (Bildekilde: Art Pini)

IIoT bruker smarte sensorer, aktuatorer, roboter og lignende enheter til å forbedre produksjonsprosessene. Disse enhetene er koblet sammen i nettverk, og gir datainnsamling, utveksling, analyse og styring. Deling av data fra flere maskiner og systemer bidrar til å gjøre industrielle prosesser mer effektive og pålitelige.

Hvis du konstruerer enheter som disse, må du ta hensyn til omgivelsene. Ekstreme omgivelser krever at enheten er forseglet, og alle porter må være korrosjonsbestandige og lekkasjesikre. Metallkabinetter krever eksterne antenner. Kontakter trengs også for sensorer utenfor enheten og signalforbindelser med andre enheter. Koaksialkontakter for antenner eller signalkabler må forsegles ved hjelp av hus og pakninger for å oppfylle disse eksponeringstoleransekravene. Bransjestandarden IEC 60529 bruker IP-klassifiseringer (IP – ingress protection) til å definere graden av beskyttelse en gitt kontakt gir. IP-klassifiseringer består av bokstavene IP etterfulgt av et tosifret tall. Det første sifferet angir graden av beskyttelse mot støv og inntrengning av solide partikler. Det andre sifferet angir graden av beskyttelse mot vanninntrengning. Definisjonene for IP-klassifiseringen varierer fra ingen beskyttelse til full beskyttelse, og de høyere tallene betyr større beskyttelse (figur 2).

Figur 2: IP-grader for støv- og vanninntak i henhold til IEC 60529. (Bildekilde: Amphenol RF)

Kontakter egnet for ekstremmiljøer bør ha en IP-klassifisering på 67 eller 68. IP67-klassifiseringen betyr at en forsegling er støvtett og beskyttet mot vann, inkludert full nedsenking i 30 minutter i en dybde på opptil 1 meter.

IP67-klassifiserte koaksialkontakter

Amphenol RF tilbyr et bredt utvalg av støvtette og vanntette IP-klassifiserte SMA-, BNC- og TNC-type koaksialkontakter. Modellen 901-10746-EE er et eksempel på en SMA-kontakt for RG-58-kabel som er beregnet for montering i gjennomføringer (bulkhead), og den er klassifisert som IP67 (figur 3).

Figur 3: RF 901-10746-EE-uttaket for gjennomføring er klassifisert som IP67, noe som betyr at det er vanntett, støvtett og korrosjonsbestandig mot saltvann. (Bildekilde: Amphenol RF)

De elektriske egenskapene til denne SMA-hunnkontakten omfatter en nominell impedans på 50 ohm (Ω) for RG-58-koaksialkabel. Den fungerer over et frekvensområde fra DC (likestrøm) til 6 gigahertz (GHz), med et maksimalt ståbølgeforhold (VSWR – voltage standing wave ratio) på 1,30:1, noe som tilsvarer et returtap på –18 desibel (dB). Den er klassifisert for et dielektrisk gjennomslag på 1000 volt RMS (Vrms). Driftstemperaturområdet er fra –65 °C til +165 °C. Monteringsprosessen starter med lodding av senterlederen til kontaktpinnen. Pinnen og kabelen settes inn i kontakten med lissen over serrateringen (riflene). Endehylsen krympes deretter over lissen. O-ringpakningen forsegler kontakthuset til monteringspanelet.

Hoveddelen av kontakten er messing, hylsen er kobber og begge har en korrosjonsbestandig legeringsplettering av tinn-nikkel. Pletteringen oppfyller saltsprutstandarden MIL-STD-202 metode 101 for en 5 % saltløsning gjentatt over 720 timer. Etter saltspruteksponering verifiseres pletteringsintegriteten, og RF-ytelsen til kontakten, som inkluderer kontaktmotstand og returtap, testes på nytt.

Senterlederkontakten er beryllium-kobber med gullbelegg, og den settes inn i et dielektrikum av teflon. Den oppfyller IP67-kravene i ikke-sammenkoblet tilstand når den er montert med kabelen og endehylsen.

Kontakten er montert på et panel med rustfritt stål og forseglet med en silikongummipakning for å garantere fysisk integritet og IP67-samsvar.

Amphenol RF 901-9876-RFX-EE er en SMA-plugg for sammenkobling. Denne på-linje-kabelmonterte SMA-pluggen har samme materialsammensetning og plettering som gjennomføringsuttaket, og fungerer over samme temperaturområde. Den sammenkobles med uttaket ved hjelp av en gjenget hylse over uttakets gjengede hus. I likhet med 901-10746-EE, er pluggen klassifisert som IP67 og konstruert for å fungere med RG-58-kabler. Den har et driftsfrekvensområde fra DC til 12,4 GHz.

Disse RF-kontaktene for ekstreme omgivelser er også tilgjengelige som BNC- og TNC-typer. En TNC-kontakt er en gjenget versjon av en BNC-kontakt. Gjengede kontakter er vibrasjonsbestandige når de strammes til det spesifiserte dreiemomentet. 031-6501-EE (figur 4, venstre) er en rettvinklet TNC-plugg som bruker de samme materialene og oppfyller de samme IP67- og korrosjonsbestandighetsstandardene som SMA-kontaktene. Den er klassifisert til å fungere over et temperaturområde på –40 °C til + 85 °C. Elektrisk sett har den en karakteristisk impedans på 50 Ω og et driftsfrekvensområde på opptil 6 GHz. Rettvinklede kontakter eliminerer behovet for kabelbøyninger, noe som minimerer risikoen for skade på koaksialkabelen, samtidig som det sparer plass i de små kabinettene som brukes i IIoT og lignende systemer. 031-6501-EE kan kombineres med en tilpasset adapter for gjennomføring, for eksempel AD-TNCJTNCJ-EE (figur 4, høyre).

Figur 4: Den rettvinklede 031-6501-EE TNC-pluggen og AD-TNCJTNCJ-EE TNC-gjennomføringsadapteren muliggjør krappe svinger uten å bøye kabler, samtidig som det spares plass i kompakte IIoT-kabinetter. (Bildekilde: Amphenol RF)

AD-TNCJTNCJ-EE er klassifisert som IP68, er korrosjonsbestandig og har et driftstemperaturområde fra –65 °C til +165 °C. Dens karakteristiske impedans er 50 Ω, og den er virksom ved opptil 18 GHz. VSWR er 1,2:1 (tilsvarende et returtap på –21 dB) for frekvenser mellom 0 og 11 GHz, og 1,3:1 (tilsvarende et returtap på –18 dB) for frekvenser mellom 11 og 18 GHz. Med gjennomføringsadaptere kan kablene frakobles et monteringspanel eller en dør, slik at de enkelt kan fjernes for service.

BNC-kontakter ligner på TNC-enheter, der hovedforskjellen er låsemekanismen. En BNC er en kontakt med hurtigtilkobling/-frakobling som bruker to bajonettkabelsko på uttakssiden som passer i et spor på pluggmodulen, og den låser disse sammen med en kvart omdreining. De tilbyr også IP67-inntrengningsbeskyttelse og korrosjonsbestandighet mot saltsprut.

031-6924-EE BNC-pluggen (figur 5, venstre) har et driftstemperaturområde fra –40 °C til +85 °C. Dens karakteristiske impedans på 50 Ω er kompatibel med RG-58-kabelen. Den har en VSWR på 1,30:1 (tilsvarende et returtap på –18 dB) og et frekvensområde fra DC til 6 GHz.

AD-BNCJBNCJ-EE-uttaket (figur 5, høyre) er en uttak-to-uttak-gjennomføringsadapter som også er en kontakt på 50 Ω med en maksimal frekvens på 12 GHz. VSWR er 1,30:1 (tilsvarende et returtap på –18 dB) for frekvenser fra DC til 4 GHz, og mindre enn 1,45:1 (tilsvarende et returtap på –15 dB) for frekvenser fra 4 til 12 GHz. Driftstemperaturområdet er fra –40 °C til +85 °C.

Figur 5: BNC-kontaktkomponenter for ekstreme eksponeringer brukes for rask tilkobling/frakobling. (Bildekilde: Amphenol RF)

Konklusjon

Under konstruksjon av trådløse enheter, må konstruktører ta hensyn til de fysiske og elektriske konstruksjonskravene for å sikre produktfunksjonalitet og lang levetid. Koaksiale RF-kontakter som brukes i trådløse systemer har som hovedoppgave å opprettholde signalintegritet uavhengig av omgivelsene. Derfor er det viktig å velge høypålitelige kontakter og adaptere som tåler vibrasjoner, væskeinntrengning, støv og korrosjon. Amphenol RF-kontakter for ekstreme eksponeringer er ideelle for konstruksjoner som er ment å fungere i røffe omgivelser.